Відкрити головне меню

Передавання електроенергії

технології, що забезпечують транспортування електричної енергії від місць генерування до місць споживання

Передава́ння електри́чної ене́ргії — це технології, що забезпечують транспортування електричної енергії від місць генерування до місць споживання. Є однією з найважливіших функцій енергетики. Передавання електроенергії здійснюється за допомогою електричних мереж, до складу яких входять перетворювачі, лінії електропередачі (повітряні або кабельні) і розподільні пристрої.

Схема забезпечення споживачів електроенергією (засоби передавання електроенергії зображено блакитним кольором)

Необхідність передавання електроенергії на відстань обумовлена тим, що електроенергія виробляється великими електростанціями з потужними агрегатами, а споживається порівняно малопотужними електроприймачами, розподіленими на значній території. Тенденція до концентрації генерувальних потужностей пояснюється тим, що з її зростанням знижуються відносні витрати на спорудження електростанцій і зменшується вартість виробляння електроенергії. Розміщення потужних електростанцій також здійснюється з врахуванням цілої низки інших чинників, таких, наприклад, як наявність енергоресурсів, їх вид, запаси і можливості транспортування, природні умови, можливість роботи у складі єдиної енергосистеми тощо. Часто такі електростанції виявляються істотно віддаленими від основних центрів споживання електроенергії. Від ефективності передавання електроенергії на відстань залежить у цілому робота електроенергетичних систем, що охоплюють великі території.

Зміст

ІсторіяРедагувати

Можливість передавання електроенергії на відстань вперше виявив Стівен Грей у 1720-ті роки. У дослідах Грея заряд передавався по шовковому проводу на відстань до 800 футів[1]

До кінця XIX століття електрика використовувалося тільки поблизу від місць генерування. Це, у свою чергу, обмежувало ступінь використання наявних ресурсів, оскільки великі потужності для місцевого виробництва не були потрібні. З винаходом електричного освітлення необхідність передавання електроенергії на великі відстані стало актуальною проблемою, оскільки освітлення потрібне було в першу чергу у великих містах, віддалених від джерел енергії[2].

У 1873 році Фонтен вперше продемонстрував генератор і двигун постійного струму, з'єднані дротом довжиною 2 км. В 1874 році Ф. А. Піроцький здійснив передачу електроенергії потужністю 6 к. с. на відстань 1 км, а в 1876 році повторив дослід, використовуючи в якості провідника рейки Сестрорєцької залізниці[ru] довжиною 3,5 км. В кінці 1870-х — початку 1880-х Д. А. Лачинов показав, що втрати енергії при передаванні мають зворотну залежність від напруги, а П. М. Яблочков і І. П. Усагін створили перші трансформатори, що дозволило Усагіну на Всеросійській виставці в Москві в 1882 році продемонструвати першу високовольтну систему передавання електроенергії, що включала підвищувальний і знижувальний трансформатори і лінію електропередачі. У тому ж році на Мюнхенській виставці дослід з передавання постійного електричного струму напругою до 2000 В на відстань 60 км продемонстрував Марсель Депре, при цьому втрати склали 78 %[2].

Проривом у передаванні електроенергії на великі відстані став дослід М. О. Доліво-Добровольського[ru] на міжнародній електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні в 1891 році, в ході якого енергія від установки на річці Неккар у місті Лауффен була передана у Франкфурт по трифазній лінії на 175 км. Енергія передавалася при напрузі 15200 В, перетворення здійснювалося за допомогою трифазних трансформаторів. ККД лінії досягав 80,9 %, а передавана потужність — понад 100 к. с., використаних для роботи електричного двигуна і освітлення. Досвід сприяв упровадженню трифазного змінного струму і високовольтних систем передачі.

Швейцарський інженер Рене Тюрі запропонував передавати електричну енергію постійним струмом при послідовному включенні в лінію передачі джерел і приймачів енергії. Цей спосіб, названий системою Тюрі, забезпечив розвиток електропередачі постійного струму поряд з електропередачею змінного струму. Передавання енергії на постійному струмі, в першу чергу, за системою Тюрі, мала певне поширення на початку XX століття, зокрема, функціювали лінія в Батумі протяжністю 10 км і лінія Мутьє-Ліон (напруга 57 кВ, потужність 5 МВт) протяжністю 180 км, але пізніше вони були демонтовані і замінені лініями змінного струму[2]. Досвід створення ліній електропередачі на постійному струмі наприкінці XIX століття виявив істотні недоліки подібних систем, які полягали в тому, що передача електроенергії на генераторній напрузі лімітувалася низькими межами, а постійний струм високої напруги складно було використати у споживача, тому що потрібно мати двигун — генераторну установку для його перетворення в струм низької напруги.

Вся подальша історія розвитку ліній електропередачі аж до кінця XX століття супроводжувалася збільшенням напруги, потужностей для передавання і довжини ліній. На першому етапі основною за важливістю проблемою було зменшення втрат у лініях, що вимагало підвищення напруги.

Подальше зростання номінальної напруги ліній електропередачі обмежувалося можливостями штирових ізоляторів, які використовувалися в той час і не дозволяли підняти напругу вище за 70 кВ. Лише винайдення на початку ХХ століття підвісних ізоляторів дозволило різко збільшити напругу і вже у 1908—1912 роках у США й Німеччині були побудовані перші лінії електропередачі змінного струму напругою 110 кВ, у 1923—220 кВ[2].

Додаткове утруднення на шляху зростання номінальної напруги виникло у зв'язку зі збільшенням втрат на коронний розряд. Теоретичні дослідження показали, що зменшити втрати можна шляхом збільшення дійсного або «електричного» діаметра проводів. Перший напрямок привів до застосування алюмінієвих, стале-алюмінієвих і порожнистих проводів великого діаметра. Другий напрямок (запропонований В. Ф. Міткевичем у 1910-му) привів до застосування розщеплених фаз, що складаються з декількох проводів.

Схема передаванняРедагувати

В даний час застосовуються схеми передавання, в які входять[3]:

Схеми поділяються на блокові, пов'язані і напівпов'язані[4]

КласифікаціяРедагувати

За типом лінії електропередач[5]:

  • магістральні;
  • міжсистемні.

За проміжним відбором потужності[5]:

  • прямі;
  • з проміжним відбором;
  • з проміжним генеруванням.

У лініях з проміжним відбором та генеруванням зазвичай передбачаються додаткові знижувальні та підвищувальні трансформатори для забезпечення потреб проміжних споживачів електроенергії та генерування.

За числом ліній: одно-, дво — і триланцюгові[6].

Дальність передачіРедагувати

Однією з основних характеристик електропередачі є її пропускна спроможність [7], тобто та найбільша потужність, яку можна передати по ЛЕП з врахуванням обмежувальних чинників: граничної потужності за умовами стійкості, втрат на корону, нагріву провідників тощо. Потужність, передавана по ЛЕП змінного струму, пов'язана з її протяжністю і напругою залежністю

 ,

де   i   — напруга на початку і в кінці ЛЕП,   — хвильовий опір ЛЕП, α — коефіцієнт зміни фази, що характеризує поворот вектора напруги уздовж лінії на одиницю її довжини (обумовлений хвильовим характером поширення електромагнітного поля), l — протяжність ЛЕП, δ — кут між векторами напруги на початку і в кінці лінії, що характеризує режим електропередачі та її стійкість.

Гранична потужність передачі досягається при α = 90°, коли sin α = 1. Наприклад, для лінії 110 кВ максимальна пропускна здатність становить 30 МВт.

Для повітряних ЛЕП змінного струму можна приблизно вважати, що максимальна потужність передавання є приблизно пропорційною до квадрату напруги, а вартість спорудження ЛЕП пропорційна до величини напруги. Тому в розвитку електропередач спостерігається тенденція до збільшення напруги як до головного засобу підвищення пропускної спроможності ЛЕП[8]. Граничні значення напруги ЛЕП, пов'язані з можливими перенапруженнями, обмежуються ізоляцією ЛЕП і електричною міцністю повітря. Підвищення пропускної спроможності ЛЕП змінного струму можливе і шляхом удосконалення конструкції лінії, а також за допомогою включення різних компенсуючих пристроїв. Так, наприклад, на ЛЕП напругою 330 кВ і вище використовується «розщеплювання» дротів в кожній фазі на декілька електрично зв'язаних між собою провідників; при цьому індуктивний опір лінії зменшується, а ємнісна провідність збільшується, що веде до зниження   і зменшення α. Одним із способів підвищення пропускної спроможності ЛЕП є спорудження «розімкнених» ліній, в яких на опорах підвішуються проводи двох кіл так, що провідники різних фаз виявляються зближеними між собою.

Див. такожРедагувати

ПриміткиРедагувати

  1. Храмов Ю. А. Грей Стефен (Gray Stephen) // Физики.
  2. а б в г Крачковский, 1953, с. 6—12
  3. Крачковский, 1953, с. 23—24
  4. Крачковский, 1953, с. 24
  5. а б Крачковский, 1953, с. 22
  6. Крачковский, 1953, с. 23
  7. Крачковский, 1953, с. 27
  8. Крачковский, 1953, с. 28

ЛітератураРедагувати

  • Крачковский Н. Н. Передача электрической энергии на дальние расстояния / Отв. ред. академик А. В. Винтер. — М. : Издательство Академии наук СССР, 1953.
  • Герасименко А. А., Федин В. Т. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие. — 2-е. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2008. — 715 с. — (Высшее образование).
  • Енергетика: історія, сучасність і майбутнє: в 5-ти кн. — К., 2013. — Т. 2 : Пізнання й досвід - шлях до сучасної енергетики / Є. Т. Базеєв, Г. Б. Варламов, І. А. Вольчин, С. В. Казанський, Л. О. Кесова; Наук. ред. Ю. О. Ландау, І. Я. Сігал, С. В. Дубовськой. — 327 с. — ISBN 966-8163-11-7.